Wimax宽带无线城域网系统设计.doc

目录前言11 Wimax特点21.1技术特点21.2优缺点3 1.2.1Wimax五大优势3 1.2.2Wimax三大劣势32. 设计原则42.1Wimax网络系统需求42.2Wimax网络系统设计基本原则43. 解决方案设计63.1 设备选型6 3.1.1 超外差或直接变频构架6 3.1.2 针对CPE的Wimax系统73.2 拓扑图8 3.2.1点对多点模式8 3.2.2 多点对多点模式83.3Wimax宽带无线接入的频谱利用及接口分析83.4 IP地址规划11 3.4.1 功能要求11 3.4.2 功能分解124 . 总结与体会13参考文献15 大学课程设计说明书说明书 前言全称为Worldwide Interoperability for Microwave Access,即全球微波互联接入。WiMAX的另一个名字是802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX将逐步实现宽带业务的移动化，而3G则将实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度将会越来越高。WiMAX(全球微波互联接入)不仅在北美、欧洲迅猛发展，而且这股热浪已经推进到亚洲。WiMAX又称为80216无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。因在数据通信领域的高覆盖范围(可以覆盖2530英里的范围),以及对3G可能构成的威胁，使WiMAX在最近一段时间备受业界关注。该技术以IEEE 802.16 的系列宽频无线标准为基础。一如当年对提升802.11使用率有功的Wi-Fi 联盟，WiMAX 也成立了论坛，将提高大众对宽频潜力的认识，并力促供应商解决设备兼容问题，借此加速WiMAX 技术的使用率，让WiMAX 技术成为业界使用IEEE 802.16 系列宽频无线设备的标准。虽然WiMAX 无法另辟新的市场目前市面已有多种宽频无在线网方式，但是有助于统一技术的规范，有了标准化的规范，就可以以量制价，降低成本，提高市场增长率。短期而言2004年，WiMAX 论坛将在年底之前，着手开发认证流程，为最后一步的产品测试预作准备。2005年左右，大型供应商将推出拥有WiMAX 认证的产品，多数产品的频率不超过11GHz.长期而言，WiMAX 将进步到可以支持最后一哩，回程、私人企业应用。2006/07 年左右，WiMAX 解决方案将内建于笔记本电脑，可直接进行客户端发送，递送真正的便携式无线宽频，不需外接的客户端设备(CPE)1. Wimax的特点1.1技术特点 1.1.1链路层技术TCP/IP协议的特点之一是对信道的传输质量有较高的要求。无线宽带接入技术面对日益增长的IP数据业务，必须适应TCP/IP协议对信道传输质量的 要求。在WiMax技术的应用条件下（室外远距离），无线信道的衰落现象非常显着，在质量不稳定的无线信道上运用TCP/IP协议，其效率可能十分低下。 WiMax技术在链路层加入了ARQ机制，减少到达网络层的信息差错，可大大提高系统的业务吞吐量。同时WiMax采用天线阵、天线极化方式等天线分集技 术来应对无线信道的衰落。这些措施都提高了WiMax的无线数据传输的性能。 1.1.2QoS性能WiMax可以向用 户提供具有QoS性能的数据、视频、话音（VoIP） 业务。WiMax可以提供三种等级的服务：CBR（Con-stant Bit Rate，固定带宽）、CIR（Com-mitted Rate，承诺带宽、BE（Best Effort，尽力而为）。CBR的优先级最高，任何情况下网络操作者与服务提供商以高优先级、高速率及低延时为用户提供服务，保证用户订购的带宽。 CIR的优先级次之，网络操作者以约定的速率来提供，但速率超过规定的峰值时，优先级会降低，还可以根据设备带宽资源情况向用户提供更多的传输带宽。BE 则具有更低的优先级，这种服务类似于传统IP网络的尽力而为的服务，网络不提供优先级与速率的保证。在系统满足其他用户较高优先级业务的条件下，尽力为用户提供传输带宽。 1.1.3工作频段整体来说，802.16工作的频段采用的是无需授权频段，范围在2GHz至 66GHz之间，而802.16a则是一种采用2G至11GHz无需授权频段的宽带无线接入系统，其频道带宽可根据需求在1.5M至20MHz范围进行调整。因此，802.16所使用的频谱可能比其它任何无线技术更丰富，具有以下优点： （1）对于已知的干扰，窄的信道带宽有利于避开干扰。 （2）当信息带宽需求不大时，窄的信道带宽有利于节省频谱资源。 （3）灵活的带宽调整能力，有利于运营商或用户协调频谱资源。 1.2优缺点1.2.1WiMax五大优势WiMax之所以能掀起大风大浪，显然是有自身的许多优势。而各厂商也正是看到了WiMax的优势所可能引发的强大市场需求才对其抱有浓厚的兴趣。 优势之一，实现更远的传输距离。WiMax所能实现的50公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3G发射塔的10倍，只要少数基站建设就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。 优势之二，提供更高速的宽带接入。据悉，WiMax所能提供的最高接入速度是70M，这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。对无线网络来说，这的确是一个惊人的进步。 优势之三，提供优良的最后一公里网络接入服务。作为一种无线城域网技术，它可以将WiFi热点连接到互联网，也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入。WiMax可为50公里线性区域内提供服务，用户无需线缆即可与基站建立宽带连接。 优势之四，提供多媒体通信服务。由于WiMax较之WiFi具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级的多媒体通信服务。优势之五, 从产业链来讲，Wimax有商用数据上网卡有商用手机(HTC Max 4G)，并且还存在终端一致性测试的问题。所以，WiMAX的产业链还需要经过像TD-SCDMA产业链的规模试验过程。1.2.2 WiMax三大劣势第一，从标准来讲WiMax技术是不能支持用户在移动过程中无缝切换。其速度只有50公里，而且如果高速移动，WiMAX达不到无缝切换的要求，跟3G的三个主流标准比，其性能相差是很远的。第二，WiMAX严格意义讲不是一个移动通信系统的标准，还是一个无线城域网的技术。另外，我国政府也组织了相关专家对此做了充分分析与评估，得出的结论是类似的。第三，WiMAX要到802.16m才成成为具有无缝切换功能的移动通信系统。WiMAX阵营把解决这个问题的希望寄托于未来的16m标准上，而16m的进展情况还存在不确定因素。2. 设计原则 未来的通信网络必将具备以下的特点：IP化、宽带化、成本更经济、网络更便于管理，并且多种技术通过统一的核心网相互融合，可以实现业务间的无缝切换。WiMAX就是在电信网络融合的大趋势下发展起来的城域无线接人技术。WiMAX网络的发展将借鉴IP网络、 NGN和移动蜂窝网络组网技术，与IP网络、NGN和移动蜂窝网络进行充分的融合。 WiMAX网络可以满足不同业务和应用的QoS需求，并有效利用端到端的网络资源。其中， WiMAX核心网具有可扩展性、伸缩性、灵活性和鲁棒性，能够满足电信级组网要求；接入网支持先进的移动性，包括寻呼、位置管理、不同技术之间的切换以及不同运营商网络之间的切换，同时具备安全性保障和全移动模式下的QoS保证。2.1 WiMAX网络系统需求 与传统的无线通信网络相似，WiMAX网络也必须满足无线信道特有的系统要求。根据 IEEE组织的规范，WiMAX网络架构必须满足的系统需求如下所述。2.2 WiMAX网络系统设计基本原则 WiMAX网络架构必须满足的设计基本原则如下： 1)WiMAX网络架构应该可以同时满足多种宽带应用场景的需求，如固定游牧便携简单移动全移动模式。这就是说只要有提供WiMAX接人服务的地方，用户都可以通过它的运营商实现宽带接入。 2)WiMAX网络架构应该基于全IP的网络架构，充分利用IP交换、路由以及其他可以重用的IP网络功能。 3)WiMAX网络架构应该适用多种无线技术，其相关无线规程必须与具体的连接业务网(Connection Service Network，CSN)网元无关。除此之外，接人业务网络(Access Service Network，ASN)的架构应该是通用的，同时与NSP的类刑相互透明。 4)WiMAX网络架构应该基于IEEE 80216和IETF的系列协议。如果IETF制定的协议对于WiMAXNWG解决方案有限制，则必须对现有的IETF协议进行扩展。5)WiMAX网络端到端的架构包含参考模型、决策点以及功能分解，它应该是模块化的，以便在多种情况下灵活使用，例如：从岛状应用到大规模组网应用(从稀疏到密集的无线覆盖以及容量变化)；从城市、郊区到乡村的无线传播环境；从许可频段到免许可频段；从分层、平面到网格拓扑结构；游牧便携以及移动应用模式的共存。 6)WiMAX网络架构应该允许对IEEE 80216工作组定义的功能、WiMAXNWG定义的功能、路由连接以及网络之间的功能进行合理的分解。 7)WiMAX架构应该支持多个NSP共享同一个NAP内的一个或者多个ASN网络。 8)WiMAX架构应该支持一个NSP与多个NAP管理的ASN连接。 9)WiMAX架构应该支持MSSSS发现和选择NSP功能。 10)WiMAX架构定义的NAP应该支持任意可能的互联技术，例如第2层交换或者第 3层路由方式。 11)WiMAX架构应该支持通过互联方式接人到现有运营系统。 12)WiMAX架构应该通过控制面和数据面的方式支持通用的MSS协议栈，而不需要考虑NSP的类型。 13)WiMAX架构应该尽力简化对MSSSS的要求。 14)WiMAX架构应该支持不同网元之间接口(ASN内、ASN之间以及ASN和CSN之间)的开放性，特别是在MSS、ASN、CSN之间应该支持不同厂商设备的互操作性。 15)WiMAX架构应该考虑未来IEEE 802，16标准的发展对WiMAX网络产生的影响。 16)WiMAX架构应该在全球范围适用。 17)WiMAX网络应该支持以下几种演进方式：从固定到固定游牧；从固定游牧到便携简单移动；从简单移动到全移动。 18)WiMAX网络应该定义所有WiMAX端到端系统需要的功能，并且允许终端灵活地选择合适的平台，以实现不同功能。 19)WiMAX网络应该提供足够的灵活性，可以满足运营商的扩容简化要求。 20)WiMAX网络应该提供足够的灵活性，可以按照运营商的需求来确定网络中功能模块的合适位置。21)WiMAX网络应该允许一个运营商通过在一个ASN上添加一些简化的CSN功能来为用户直接提供互联网接人服务，而不需要再与复杂的NSP网络互联。3. 解决方案设计3.1设备选型；3.1.1超外差或直接变频架构 建立了接口之后，设计工程师就应该选择适当的RF链转换架构。对于大多数应用而言，我们可在超外差和直接变频射频技术之间进行选择。这一选择决定着采用何种类型的器件以及所需滤波器的数量。除芯片组本身之外，滤波器的成本是射频电路中最高的部分。 超外差技术是一种双转换方案，即先将输入信号转换为中频，再将其转换为适当的RF通道。在这种架构下，IF频率是静态的，允许使用高性能声表面波(SAW)滤波器。最终的变频混频器采用可调节的LO，将信号置于期望的输出通道上。通过IF SAW滤波器，在来自DAC或首次变频混频器的杂散输出信号传输到放大器和PA，通过天线传播开来之前，将其消除。在接收端，利用SAW滤波器来阻断邻信道干扰，避免严重影响到的射频灵敏度。RX阻断器的性能是确保符合WiMAX标准的关键参数。 直接变频架构是将输入信号直接变频为所需的RF通道，不采用中频。超外差射频技术采用低IF转换或I/Q调制器来进行中频转换，而直接变频射频技术则需采用正交调制器。由于该架构中没有选择性较高的SAW滤波器，因此必须利用调制器来抑制镜像频率和载波分量。我们可将LO频率调至适当通道，将输入信号转换为期望的RF通道。在阻断特性非常关键的接收端，直接下变频射频技术应具备优异的动态范围和适当的基带滤波技术，以处理相邻信道的干扰和窄带干扰，从而避免对无线电广播的灵敏度造成较大影响。 直接变频射频技术的另一个关键参数是传输输出噪声，单位为dBc/Hz。如果没有IF滤波的话，那么调制器的所有噪声都将到达PA，从而通过天线发射出去。因此，必须确保较高的动态范围，并降低输出噪声，这样才能满足WiMAX标准的要求及其它相关规范。直接变频架构采用尽可能少的滤波器和合成器，这对于低成本设计方案而言是相当有利的，不过同时也对调制器和解调器器件提出了极高的性能要求。我们必须注意采用适当的器件，使其满足所有的相关标准要求，这样才能确保该方法的可行性。 3.1.2针对CPE的WiMAX系统 CPE(用户端设备)是一种高销量的产品，它不仅需要符合WiMAX规范，而且还要求满足低成本目标，同时在制造过程中还要具有高度的性能稳健性，这样才能在市场中获得成功。如前所述，基带处理器的选择至关重要，需要采用低IF或I/Q接口。目前市场上的大多数CPE基带解决方案均可配置为IF或I/Q接口，在接口的选择方面不会有什么限制问题。变频架构的选择是一个相关性很强的问题。为了确保满足WiMAX标准，设计工程师通常首先会选择低IF、双变频射频技术。这时，类似于TSW500x参考设计中的TI TRF1xxx系列器件就能实现符合WiMAX标准要求的收发器，而且还能满足WiMAX对频率、功耗以及温度的要求。图3.1.2给出了该架构的结构图。 图3.1.2 CPE的WiMAX系统3.2拓扑图；IEEE802. 16 的MAC 层支持点对多点( PMP , Point to Mult - Point) 和多点对多点(mesh) 两种拓扑结构,其中多点对多点模式最初由诺基亚提出 ,通过时分复用支持OFDM 模式物理层,但要使用全向天线。依靠配置PMP 模式定向多点对多点模式也可以被用来提供点对点连接。图2.2为网络连接结构图；图3.2 网络连接结构图3.2.1 点对多点模式在一个频点及扇区内,下行方向只有基站发送,因此没有必要与其它基站同步,除了TDD 系统。终端必须在下行链路上监听,并检查接收到PDU 的连接标识符(CID ,Connection IDentifier) ,只接收发送给本终端的PDU。在上行方向,所有的SS 在请求带宽的基础上来共享与基站之间的链路。根据其服务类型, SS 可能被BS 授权持续进行发送,或者在BS 收到其带宽请求并允许后才能发送。消息发送的机制可以是单播、组播或广播。 3.2.2 多点对多点模式IEEE 802. 16 在帧长度固定的情况下,提供了一个灵活的字段类型帧结构,每发送一个下行链路子帧,都要首先广播一个同步前导码和一个包含控制信息的帧控制头部( FCH ,Frame Control Header) ,在上行链路情况下,在每个上行子帧前,都提供了一个用于发起加入和带宽请求的争用时隙,这就为新用户加入网络和SS 发起带宽请求提供了一个快速响应机制。 IEEE802. 16 标准定义了一个MAC 管理消息集,并根据在帧中的传输位置对帧定义了子划分,在FCH 后传输DL - MAP、UL - MAP、下行编码标识符、上行编码标识符等消息。 3.3 WiMAX宽带无线接入的频谱利用及接口分析在全球范围内，不同区域的射频接口存在变化。在这个方面，频谱管理者在决定针对不同，甚至有时是竞争业务的频谱分配上扮演关键角色，如美国的联邦通信委员会(FCC)。通过这些管理者，政府可以使某些与世界其他地方一致或不一致的频谱为某个指定的业务所用。对于WiMAX的全球部署来说也是这样，尽管确实存在一些非常共同的RF问题，但是在频谱的分配和管理上也存在大量的差异性。 在全球范围内，不同区域的射频接口存在变化。在这个方面，频谱管理者在决定针对不同，甚至有时是竞争业务的频谱分配上扮演关键角色，如美国的联邦通信委员会(FCC)。通过这些管理者，政府可以使某些与世界其他地方一致或不一致的频谱为某个指定的业务所用。对于WiMAX的全球部署来说也是这样，尽管确实存在一些非常共同的RF问题，但是在频谱的分配和管理上也存在大量的差异性。WiMAX无线城域网部署的频谱差异性导致了对具有不同RF的基站(BS)和用户站(SS)的需求。如图1中所展示，一个典型的WiMAX SS系统包括一个控制处理器、一个MAC单元、一个基带处理器(BBP)和一个模拟RF前端，这个RF前端的作用是将802.16x放入到一个授权的或未授权的频段中。设备提供商期望芯片制造商来提供完整的参考设计、材料清单、元件、软件/固件以及技术支持，以便他们能快速地生产WiMAX设备以满足这些RF差异化的市场需求。这种服务于某种特定频段的接口就是RF前端。 关注802.16d-提供PMP宽带网络连接的超视距点到多点频谱到WiMAX认证的BWA应用包括蜂窝网络回程(backhauling)、有线和无线LAN回程、无线MAN将BWA带入到家庭或商业中，作为 DSL或有线接入之外的一个选择。然而，最大的爆发性市场增长将在802.16x未来版本解决了便携性和移动性问题，将BWA直接带入到终端用户的时候。这个“最后一英里”必然是利用超视距(NLOS)RF传播的点对多点的结构。在这个领域，WiMAX网络将以授权和免授权频段出现在全世界，在很多情况下代替802.16之前的已有业务.当前，人们关注2GHz到6GHz的频段。这些是已分配的带宽，相对于10GHz到66GHz的可用带宽来说很窄。10GHz以下的微波频段被称为厘米波段，10GHz以上的为毫米波段。毫米波段具有很宽的信道带宽，提供很大的数据容量，因此通常非常适合非常高数据速率视距回程应用(主要管线)，而厘米波段非常适合于多点、超视距、支线和最后一英里分布应用.发射和接收信号强度发射和接收信号的功率水平和功率控制对于任何WiMAX中的系统效率来说都非常的重要，功率水平必须得到有效管理以保证稳定的通信和减少潜在的干扰。此外，根据每个用户的情况进行功率水平动态控制，决定于用户的规格、到BS的距离.正如WiMAX标准中所规定，2GHz到11GHz的厘米波段的接收功率水平是相同的。接收器必须能准确地解码最低信道功率为 -30dBm(1uW)的信号，并能承受0dBm(1mW)的强信号，而且不损坏前端电路。此外，Rx应该能够提供最低60dB的镜像抑制。WiMAX标准规定“镜像抑制要求必须包含于产生在接收器射频和其后的中频的所有镜像条件中”。坚持这些要求将保证在近距离和远距离条件下可靠地工作.传输要求不利用子信道(单一载波)的用户站必须提供30dB范围的功率控制。对于利用子信道的SS(OFDM)(这种SS将包括所有2GHz到11GHz的经认证的WiMAX SS)，发射器必须具有50dB的动态功率控制，控制步进不小于1-dB。功率控制精确度必须在高达30 dB范围内达到+/-1.5dB以内，或者在30dB以上达到+/-3dB。对于BS发射器，输出功率电平控制必须不低于10dB。实际的发射功率取决于用户的距离、传输特性、信道带宽和调制方案(BPSK、QPSK、 16QAM、64QAM)。BPSK是数据效率最低的调制方法，在SS与BS之间距离很远的情况下采用，因此需要更高的发射功率。而64QAM提供非常高的数据效率(每个符号的位数)，当SS与BS的距离相对较近的时候采用，因此需要较低发射功率。SoC与RF接口参照图3.3，RF前端与SoC之间的接口涉及到用于处理操作和发射器和接收器的内部管理功能，以及I/Q信号到A/D和D/A数据转换器的接口控制信号。调制器电路发送到SoC的接收数据应该是差分的“I”和 “Q”信号。可以在接收端采用衰减器来处理校准和增益控制，以保证最大的位利用率、转换效率以及模数转换器(ADC)转换效率。 图3.3 SoC与RF接口图3.4 IP地址规划；目前的WiMAX网络功能只涵盖基于IPv4的地址管理，从MSS的要求来看，可以采用 DHCP或其他动态地址分配方式为MSS分配IP地址。 3.4.1功能要求 1)如果SSMSS是IP网关(例如在固定接入和游牧接入场景下)，应给IP网关分配一个附着点(Point。Attachment，PoA)地址；如果SSMSS是IP主机(例如在移动场景下)，应给IP主机分配一个PoA地址。 2)对于固定和游牧接入来说，在简单IP连接场景下可分配SSMSSPoAIP地址。 3)对于固定接入来说，应从归属地NSP的CSN地址空间十分配PoA地址。固定接入支持静态和动态PoA地址，其中静态IP地址可通过手动配置方式完成，在归属地CSN域内可路由到达；动态IP地址基于DHCP协议分配，DHCP服务器应位于分配PoA地址的 CSN域内。在到达CSN网络的路由上，必须进行DHCP中继。 4)游牧接入应支持分配SSMSS动态PoA地址，动态IP地址基于DHCP分配， DHCP服务器应位于CSN域内。 5)对于游牧和便携接入来说，PoA地址可以从归属地NSP或漫游地NSP的地址空间中分配，这取决于以下两点：归属NSP和漫游NSP之间的漫游协议以及归属NSP中的用户签约信息列表和策略。 6)PoA地址分配不应排除附加隧道IP地址分配，以接入特定的应用(即VPN内部隧道IP地址分配)。对基于MIP的移动场景来说，也应符合上述要求。 7)PoA地址分配应支持2个或多个NSP共享一个NAP中ASN的情况，每个NSP可从重叠的地址空间提供PoA地址。 8)对于可计费的业务来说，应只在用户设备成功鉴权以后给SSMSS分配PoAIP地址。在会话期间分配的地址应与鉴权的用户设备绑定，这种绑定关系可由地址分配服务器 (例如DHCP服务器或AAA服务器)保持。 3.4.2功能分解 每个WiMAX网络参考模型中，应在Rl、R3、R5接口处对SSMSS IP地址管理进行功能分解，如下所述： 1)当PoA地址由漫游地NSP分配时，位于漫游地CSN的地址分配服务器从它的地址域中分配PoA(对每个与归属地NSP签汀的漫游协议)，如图3.4.2所示。图3.4.2 漫游NPS分配POA的功能分解 2)当PoA地址由归属地NSP分配时，位于归属地CSN的地址分配服务器从它的地址域中分配PoA(对每个与归属VNSP签订的漫游协议)，如图3.4.3所示。图3.4.2 归属NPS分配POA的功能分解4.总结与体会WiMAX是一项新兴技术，能够在比Wi-Fi更广阔的地域范围内提供“最后一公里”宽带连接性，由此支持企业客户享受T1类服务以及居民用户拥有相当于线缆/DSL的访问能力。凭借其在任意地点的16英里覆盖范围(取决于多种因素)，WiMAX将可以为高速数据应用提供更出色的移动性。此外，凭借这种覆盖范围和高吞吐率，WiMAX还能够提供为电信基础设施、企业园区和Wi-Fi热点提供回程。 相对于其它无线通信产品的互通性测试所需时间往往高于最初的期望，WiMAX技术的发展过程中十分注重产品的兼容性和互通性测试，这样使企业的投资风险明显的降低，有利于吸引更多的企业投资WiMAX技术的研发工作。WiMAX技术已经得到许多大型通信企业的关注，通过